中国粉体网讯  石英晶体在形成过程中，一些元素会替代硅元素进入石英晶体中，形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低，但从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。

在石英结构性杂质中，Al杂质元素含量一般最高。由于Al是以Al³⁺替代Si⁴⁺的形式存在，引起了石英晶格内部电荷不平衡，当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。因此可以使用天然石英中Al的含量来判断石英原料的质量。

石英晶体中的晶格取代形式

在现有加工技术下，石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的Al元素含量虽然极低但除去难度极大，是制约高纯石英最终质量的关键。

在提纯的整个工艺流程中，经过焙烧水淬、磁选、酸浸工序，石英中杂质元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等可以大幅度降低。但Al在经历一系列提纯工序之后，去除效果有限，这主要是因为Al3+进入晶格替代Si4+、而且离子半径也比较接近，不易提纯。

类似的还有Ti⁴⁺、B³⁺、P³⁺等杂质元素。可见，天然石英内部的杂质，特别是以类质同像状态存在的杂质，直接制约着高纯石英产品生产，当原矿Al、Ti、Li、B、P等杂质元素含量较高，就不易获得高纯石英。

典型的例子有，Norway地区石英岩，虽与蓝晶石等多种矿物共伴生，但其晶格杂质少且几乎不含流体包裹体，被认为有可能加工为高纯石英；而Sierrade Comechigones(Argentina)地区伟晶岩虽然SiO2含量很高，但由于细粒石英中晶格杂质较高，很难被加工为高纯石英。

综上所述，晶格杂质，是制约高纯石英质量最关键性因素。晶格杂质中的(Al³⁺、Ti⁴⁺)－O键能较大，Al、Ti取代石英晶格中的Si形成新的［AlO₄］、［TiO₄］，是石英中最难脱除的晶格杂质元素。

晶格结构杂质是加工高纯石英产品难以突破的最终瓶颈。要选择正确的高纯石英原料和制定最佳的石英提纯方案，须明确石英中杂质元素的赋存状态。当前研究杂质元素赋存状态的方法主要有：(1)X射线衍射数据拟合精修分析；(2)LA-ICP-MS面扫描图像分析；(3)红外吸收光谱分析；(4)电子探针及能谱分析；(5)阴极发光特征分析。

目前来看，氯化焙烧工艺是去除石英晶格杂质比较有效的方法。氯化焙烧是在低于石英熔点温度下，石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来，石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变，使得石英晶格中的金属离子如Al₃₊、Ti₄₊等可能会迁移扩散到石英表面，与HCl、NH₄Cl和Cl₂等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离，同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。

参考来源：

杨晓勇等，高纯石英的研究进展及发展趋势，中国科学技术大学

欧阳静等，石英矿物资源的提纯及在战略性新兴产业中的应用技术分析，中南大学

马超等，高纯石英原料矿物学特征与加工技术进展，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所

王云月等，高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述，合肥工业大学

（中国粉体网编辑整理/平安）

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